miniatura|Proteïna amb set dominis diferents. Cada color correspon a un domini diferent. Un domini proteic és una agrupació globular de cadenes polipeptídiques que forma una regió molt conservada d'una proteïna, i que té una estructura terciària que pot existir, funcionar i evolucionar independentment de la resta de la cadena peptídica. Cada domini forma una estructura tridimensional compactada i sovint es troba plegada i estable de forma independent, conferint-li a les proteïnes una aparença bi- o multilobular. De fet, la proteòlisi limitada d'una proteïna amb diversos dominis allibera sovint els seus dominis sense alterar gaire la seva estructura global. No obstant això, l'estructura d'una proteïna amb dominis no sempre és evident, ja que aquests poden establir contactes tan extensos entre si que la proteïna apareix com una entitat globular simple.
La majoria dels dominis estan constituïts per entre 50 i 250 aminoàcids, cada un dels quals té un diàmetre aproximat de 25 Å. L'evolució molecular ha utilitzat els dominis com a blocs de construcció, que es poden combinar amb diferents disposicions per crear proteïnes amb una gran varietat funcional. Un mateix domini pot aparèixer en diferents proteïnes. Els dominis més curts, com els dits de zinc (zinc fingers), es poden estabilitzar mitjançant ions metàl·lics o ponts disulfúrics. Els dominis sovint formen unitats funcionals, com el domini EF d'unió al calci de la calmodulina (calcium-binding EF hand domain of calmodulin).
Com que són dominis estables de forma independent, poden ser intercanviats mitjançant enginyeria genètica per produir altres proteïnes de fusió o quimèriques.
Història L'any 1973, Wetlaufer1. Wetlaufer D. Nucleation, Rapid Folding, and Globular Intrachain Regions in Proteins. Proceedings of the National Academy of Sciences. 1973;70(3):697-701. va definir per primera vegada el concepte de domini proteic com a unitats estructurals d'una proteïna que es poden plegar de manera autònoma, independent i estable. Anteriorment, els dominis havien estat descrits com a unitats que tenien estructures compactes, funció i evolució, i plegament.
Cada una d'aquestes definicions és vàlida i sovint se superposa, ja que un domini estructural compacte que es troba en diverses proteïnes és probable que es plegui sobre ell mateix de manera independent, sense veure's afectat pel seu entorn estructural. En la natura, sovint es troben diversos dominis junts, formant proteïnes multidominis i multifuncionals. En una proteïna multidomini, cadascun dels dominis és capaç de realitzar la seva funció de manera independent, o bé de manera coordinada amb els seus dominis veïns. Els dominis també poden servir com a mòduls per construir complexos o conjunts més grans, com ara partícules de virus o fibres musculars. També poden proporcionar llocs catalítics o llocs d'unió específics, com els que es troben en enzims o proteïnes reguladores.
Exemple de la PKA miniatura|Unió del substrat (S) al centre actiu de la subunitat catalítica de la PKA i formació del producte (P), en aquest cas, fosforilació d'altres proteïnes. La proteïna-cinasa A (PKA, de l'anglès protein kinase A) és una família d'enzims amb activitat dependent dels nivells cel·lulars de monofosfat d'adenosina cíclic (cAMP, de l'anglès cyclic adenosine monophosphate). Per aquesta raó també se la coneix amb el nom de proteïna-cinasa dependent de cAMP. Té moltes funcions dins de la cèl·lula, com ara la regulació del glicogen, dels carbohidrats i del metabolisme dels lípids. La PKA està present en una gran varietat de cèl·lules i la seva regulació, mitjançant cAMP, intervé en moltes vies de senyalització. miniatura|La subunitat reguladora inactiva la catalítica. La unió del cAMP a la subunitat reguladora permet el desacoblament de les dues subunitats, activant la subunitat catalítica. Quan es troba inactiva, la PKA té una estructura formada per un tetràmer que consisteix en dues subunitats catalítiques i dues reguladores. La subunitat catalítica presenta el centre actiu, el qual uneix i hidrolitza trifosfat d'adenosina (ATP), i un domini que li permet unir-se a la subunitat reguladora. La subunitat reguladora, en canvi, té diversos dominis per unir-se al cAMP, dominis que permeten la interacció entre la subunitat catalítica i la subunitat reguladora i un domini autoinhibidor.
Quan la subunitat catalítica es troba lliure i activa, pot migrar al nucli i fosforilar proteïnes reguladores de la transcripció, mentre que les subunitats reguladores romandran en el citoplasma, sense tenir accés al nucli. Aquests són els gens que codifiquen les PKA humanes: +Subunitat de la PKA humanaGens codificantsSubunitat catalíticaPRKACAPRKACBPRKACGSubunitat reguladora tipus IPRKAR1APRKAR1BSubunitat reguladora tipus IIPRKAR2APRKAR2B
Quatre molècules de cAMP poden unir-se a les subunitats reguladores. Aquesta unió provocarà un canvi conformacional d'aquestes subunitats i farà que les subunitats catalítiques s'alliberin de les reguladores. Aquest alliberament permetrà l'activació de les subunitats catalítiques, les quals podran transferir fosfats terminals d'ATP a substrats de proteïna en residus de serina o treonina.
Estructura i plegament de les proteïnes Les proteïnes estan formades a base de seqüències d'aminoàcids formant estructures concretes, que permeten el seu correcte funcionament. El plegament de proteïnes és la recerca dirigida de l'espai conformacional que permet que la proteïna es plegui en una escala de temps biològicament factible. Anfinsen va mostrar que l'estat natiu d'una proteïna és termodinàmicament estable, la conformació està en el mínim global de la seva energia lliure. La paradoxa de Levinthal afirma que, si una proteïna de mida mitjana mostrés totes les conformacions possibles abans de trobar la que té l'energia més baixa, tot el procés trigaria milers de milions d'anys. Les proteïnes normalment es pleguen en 0,1 i 1000 segons. Per tant, el procés de plegament de proteïnes s'ha de dirigir d'alguna manera a través d'una via de plegament específica. Les forces que dirigeixen aquesta recerca són probablement una combinació d'influències locals i globals, que tenen efectes en diverses etapes de la reacció.
S'ha descobert que el plegament aïllat d'un domini es pot donar al mateix ritme o a vegades més ràpid que el del domini integrat, suggerint que les interaccions desfavorables amb la resta de proteïnes poden ocórrer durant el plegat. Això és perquè els dominis no es pleguen de manera completament correcta, o perquè els petits ajustos necessaris per a la seva interacció són energèticament desfavorables, com ara l'eliminació d'aigua d'un domini d'interfície.
La dinàmica dels dominis proteics té un paper clau en una multitud de processos de reconeixement molecular i senyalització. Els modes dinàmics resultants generalment no es poden predir a partir d'estructures estàtiques de tota la proteïna o de dominis individuals. No obstant això, poden ser inferits mitjançant la comparació de diferents estructures d'una proteïna (com en la base de dades de moviments moleculars). També es poden suggerir mitjançant mostreig en extenses trajectòries de dinàmica molecular i anàlisi de components principals, o es poden observar directament mitjançant espectres mesurats per espectroscòpia d'espín de neutrons.
En el procés de plegament podem distingir 4 estructures: miniatura|Estructura primària d'una proteïna. Estructura primària L'estructura primària és la cadena d'aminoàcids que codifica el plegament tridimensional de la proteïna. Els aminoàcids hidrofòbics es troben formant el nucli de la proteïna, envoltats per una capa de residus hidrofílics.
Estructura secundària Com que els enllaços peptídics són polars, es neutralitzen mitjançant l'enllaç d'hidrogen entre ells quan es troben en un entorn hidrofòbic, formant patrons estructurals tridimensionals regulars coneguts com a estructura secundària. Hi ha dos tipus d'estructures secundàries: la hèlix alfa i la làmina beta. Freqüentment es produeixen combinacions d'elements d'estructura secundària, donant lloc a motius o estructures supersecundàries. Alguns exemples serien la beta-hairpin o el motiu beta-alfa-beta.
La unió covalent de dos dominis representa un avantatge tant funcional com estructural, ja que proporciona un increment de l'estabilitat en comparació amb les estructures que estan associades amb unions no-covalents. D'altra banda, també té avantatges com la protecció dels intermediaris dins de butxaques enzimàtiques entre dominis que, d'una altra manera, poden ser inestables en entorns aquosos. Un altre avantatge que proporciona l'associació covalent és la relació estequiomètrica fixa de l'activitat enzimàtica necessària per a un conjunt seqüencial de reaccions.
Estructura terciària Diversos motius s'uneixen per formar unitats compactes, locals i semiindependents anomenades dominis. La majoria de les estructures 3D de les cadenes polipeptídiques es coneixen com a estructura terciària de la proteïna. Els dominis són les unitats fonamentals de l'estructura terciària, cada domini conté un nucli hidrofòbic individual que està format per unitats estructurals secundàries connectades per bucles.
L'empaquetament del polipèptid acostuma a ser major en l'interior que en l'exterior del domini, generant un nucli sòlid i una superfície molt més fluida. Els residus del nucli acostumen a estar conservats en una família de proteïnes, mentre que els residus dels bucles són menys conservats, llevat que estiguin involucrats en la funció de la proteïna.
L'estructura terciària de la proteïna es pot classificar segons el contingut estructural secundari del domini en:
Dominis alfa: Formats exclusivament a partir d'hèlix-alfa. Dominis beta: Nucli compost per làmines beta antiparal·leles. Dominis alfa+beta: Són una barreja entre tots els motius alfa i beta. La classificació de les proteïnes en aquesta categoria és difícil a causa de les superposicions entre les altres 3 classes i, per tant, no és utilitzada en la CATH domain database. Dominis Alfa/Beta: Formats a partir de la combinació de motius beta-alfa-beta que, de forma predominant, formen una làmina beta paral·lela envoltada per hèlix-alfa amfipàtiques. Les estructures secundàries es disposen en capes o barrils. miniatura|Estructura quaternària d'una proteïna.
Estructura quaternària Moltes proteïnes tenen una estructura quaternària, la qual consisteix en moltes cadenes polipeptídiques associades a una molècula oligomèrica. Cada cadena de polipèptids d'una proteïna d'aquest tipus s'anomena subunitat.
La mida dels dominis estructurals individuals varia dels 36 residus en la E-selectina, fins als 692 residus en lipoxigenasa-1, però la majoria (90%) tenen menys de 200 residus amb una mitjana d'aproximadament 100 residus. Els dominis molt petits, menys de 40 residus, acostumen a estar estabilitzats per ions metall o ponts disulfur. Els dominis més grans, més de 300 residus, és probable que continguin múltiples nuclis hidrofòbics.
Aquests dominis es poden intercanviar: l'element secundari o terciari d'una proteïna monomèrica és reemplaçat pel mateix element d'una altra proteïna. Aquest intercanvi de dominis contempla des d'elements de l'estructura secundària fins a qualsevol domini estructural. També representa un model evolutiu de les adaptacions funcionals per oligomerització.
Els dominis com a mòduls evolutius L'estudi de l'evolució es basa en un procés probabilístic, ja que és molt menys costós, per tant, més probable, que en la natura es reutilitzin estructures preexistents que no pas que se'n generin de novo. Per tant, el més habitual quan es genera una nova seqüència és que aquesta sigui una adaptació d'una seqüència que ja existia a la natura.